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基于虛擬仿真技術(shù)的礦山工程測(cè)量精度分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2021-12-25 03:12涂麗霞
世界有色金屬 2021年17期
關(guān)鍵詞:測(cè)量?jī)x參考點(diǎn)測(cè)量誤差

涂麗霞

(江西省中旭國(guó)土勘測(cè)規(guī)劃有限責(zé)任公司,江西 南昌 330000)

虛擬仿真技術(shù)(Virtual Simulation)是最近興起的一種較為新奇的技術(shù)手段,也可以簡(jiǎn)稱為仿真技術(shù)。Virtual:采用先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)構(gòu)建出虛擬場(chǎng)景,Simulation:在三維空間中構(gòu)建逼真的三維模型,通過(guò)在三維模型中試驗(yàn)、演出和操控,完成一些現(xiàn)實(shí)中難以實(shí)現(xiàn)的技術(shù)。當(dāng)然,這些都必須建立在理論真實(shí)的基礎(chǔ)上,就像現(xiàn)在比較流行的AR技術(shù)也是依據(jù)現(xiàn)實(shí)構(gòu)建的虛擬模型,不同的是,AR技術(shù)是可以將現(xiàn)實(shí)的場(chǎng)景與虛擬的模型相折疊,真實(shí)感更強(qiáng),但是價(jià)格也更加昂貴,不利于工程測(cè)量的開(kāi)發(fā)成本,因此將仿真技術(shù)和虛擬技術(shù)相結(jié)合,得到的虛擬仿真技術(shù),即擁有虛擬模型,成本也相對(duì)較低,用于礦山工程測(cè)量精度分析系統(tǒng)中,有助于更精準(zhǔn)地測(cè)量誤差[1]。

1 硬件設(shè)計(jì)

1.1 遙感測(cè)量?jī)x

礦山地形崎嶇,空間較大,用普通測(cè)量?jī)x耗時(shí)耗力,得不償失。因此需要設(shè)計(jì)一款遙感測(cè)量?jī)x,該遙感測(cè)量?jī)x擁有測(cè)量范圍廣、地形圖像獲取速度快、測(cè)量時(shí)間短等特點(diǎn),可以用來(lái)測(cè)量礦區(qū)的地形和地質(zhì)結(jié)構(gòu)。并且遙感測(cè)量?jī)x會(huì)實(shí)現(xiàn)與外部環(huán)境結(jié)合的功能,從宏觀角度對(duì)礦區(qū)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),獲取礦區(qū)大面積的沉降和地表高程信息。煙感測(cè)量?jī)x可以利用IKOS衛(wèi)星圖像,生成1:10000幅礦山地形圖,同時(shí)對(duì)地形圖進(jìn)行分析,得出與實(shí)際測(cè)量一致的結(jié)論,證明遙感測(cè)量?jī)x的使用可滿足礦山工程測(cè)量的精度要求[2]。

1.2 全站儀

現(xiàn)目前,應(yīng)用最廣泛的礦山測(cè)量設(shè)備是經(jīng)緯儀,但是經(jīng)緯儀的操作較為復(fù)雜,信號(hào)不穩(wěn)定,不能實(shí)時(shí)測(cè)量礦山工程,且測(cè)量精度較差,實(shí)用性較低,因此,全站儀的設(shè)計(jì)勢(shì)在必行,全站儀的設(shè)計(jì)需要同時(shí)測(cè)量礦山的高度信息和三維信息,可以完成露天礦山的精度測(cè)量和仿真測(cè)量工作。在小范圍的礦山測(cè)量上,可以用小型全站儀,方便攜帶,且效果相同,減少礦山工程測(cè)量的誤差。在大范圍的礦山測(cè)量方面,可以使用仿真全站儀,利用比例尺,還原一個(gè)小型礦山,在測(cè)量精度方面,更具有說(shuō)服力。同時(shí),由于全站儀的連續(xù)移動(dòng)性,使測(cè)量方式更為準(zhǔn)確,提高了精度。比傳統(tǒng)的經(jīng)緯儀更具有實(shí)用價(jià)值。

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1 采集礦山工程測(cè)量數(shù)據(jù)

礦山數(shù)據(jù)是礦山工程的主要內(nèi)容,采集人員需要打開(kāi)遙感測(cè)量?jī)x,連接礦山與衛(wèi)星,并打開(kāi)接收器,建立衛(wèi)星與接收器的通訊聯(lián)系,最終啟動(dòng)測(cè)量軟件,對(duì)遙感測(cè)量?jī)x進(jìn)行設(shè)置[3]。由于礦區(qū)多山,并且測(cè)量過(guò)程中高度與方向都不同,所以在測(cè)量過(guò)程中,需要設(shè)置參考點(diǎn),且利用全站儀滿足高度測(cè)量要求,最大程度地消除礦山工程測(cè)量的誤差。在此次采集數(shù)據(jù)的過(guò)程中,選取了礦山中的四個(gè)參考點(diǎn),來(lái)完成遙感測(cè)量?jī)x中的坐標(biāo)變換。

2.2 繪制礦山工程測(cè)量地形圖

通過(guò)上文采集到的礦山工程測(cè)量數(shù)據(jù)后,基本可以了解礦山的大致測(cè)量地形,以參考點(diǎn)1(G1)、參考點(diǎn)2(G2)、參考點(diǎn)3(G3)、參考點(diǎn)4(G4)為主要測(cè)量區(qū)域,并根據(jù)校正后的參考點(diǎn)精度測(cè)量數(shù)據(jù),得出真正的測(cè)量距離。根據(jù)遙感測(cè)量?jī)x與全站儀的數(shù)據(jù),可以推測(cè)在礦山外圍是巖漿巖,然后是沉積巖,其次是變質(zhì)巖,最后是礦心位置,每一個(gè)巖石的距離約為20Km,所以在礦山測(cè)量過(guò)程中,越往內(nèi)部測(cè)量越難,精度也較差,所以G1、G2、G3、G4的參考點(diǎn)在礦心外圍,具體礦山地形圖如圖1所示:

圖1 礦山測(cè)量地形圖

如圖1所示,礦心的外圍區(qū)域,有參考點(diǎn)1、2、3、4,還有礦山斷層,以及休息區(qū),是礦山工程測(cè)量的主要位置。再往內(nèi)部是沉積巖、變質(zhì)巖以及礦心的位置,超出了20Km,在全站儀和遙感測(cè)量?jī)x的測(cè)量范圍之外。

2.3 基于虛擬仿真技術(shù)消除測(cè)量誤差

在不超過(guò)礦山線的情況下,礦山測(cè)量的精度均在精度要求內(nèi),但是測(cè)量誤差仍然存在,但是真實(shí)條件下的誤差消除較為困難,因此虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用勢(shì)在必行,因?yàn)樘摂M仿真技術(shù)擁有浸入性,在虛擬環(huán)境中,測(cè)量技術(shù)人員可以充分利用各種適用的儀器,測(cè)量在理想狀態(tài)下的虛擬仿真礦山工程測(cè)量精度分析系統(tǒng),可以測(cè)量出的信息。除此之外,虛擬仿真技術(shù)具有虛幻特征,因?yàn)樘摂M仿真技術(shù)不是一個(gè)實(shí)際的實(shí)體,而是借助相關(guān)科學(xué)技術(shù)構(gòu)建的環(huán)境。除此之外,測(cè)量精度誤差還來(lái)源于光學(xué)變化、位置變化、時(shí)間變化,以及空間變化,其中光學(xué)變化分為三種形式,橫向光改變、縱向光改變。測(cè)量誤差均可以利用虛擬仿真技術(shù)消除,并且以下誤差均在虛擬環(huán)境中消除,其中橫向光改變是由于遙感測(cè)量?jī)x的遙感鏡不完善導(dǎo)致的,消除誤差公式如下:

式(2)中,p1、p2為遙感鏡的縱向光改變參數(shù)。位置變化的誤差可以通過(guò)以下公式消除:

式(3)中,α、β為遙感鏡變化的修正系數(shù)。減小測(cè)量誤差的修正總和以公式的形式表示為:

上述光改變參數(shù)是通過(guò)專業(yè)校正軟件得出的,結(jié)合上述公式在虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用,消除礦山工程測(cè)量的誤差。

3 礦山工程測(cè)量精度分析

3.1 精度分析準(zhǔn)備

礦山工程測(cè)量精度分析系統(tǒng)利用全站儀來(lái)采集數(shù)據(jù),并根據(jù)虛擬仿真技術(shù)消除誤差,此外,基于地形圖轉(zhuǎn)換礦山的直角坐標(biāo)(X,Y,Z),具體轉(zhuǎn)換公式為:

式中,Δ代表(X,Y,Z)各坐標(biāo)上的轉(zhuǎn)換量,k是精度參數(shù),R是轉(zhuǎn)換參數(shù)。當(dāng)精度參數(shù)達(dá)到預(yù)期值后,經(jīng)計(jì)算的結(jié)果用于礦山工程精度分析中,保證礦山工程測(cè)量的精度。

3.2 精度分析結(jié)果

在保證礦山工程的測(cè)量精度的前提條件下,本文選擇了礦山周圍的六個(gè)測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行驗(yàn)證,以礦山為圓心,半徑不超過(guò)20km為基準(zhǔn),同時(shí)保證六個(gè)測(cè)量點(diǎn)的平均長(zhǎng)度為2.6km,分三個(gè)時(shí)間段測(cè)量,得到的測(cè)量精度如表1所示:

表1 個(gè)測(cè)量點(diǎn)的誤差統(tǒng)計(jì)情況

如表1示,01-06個(gè)測(cè)量點(diǎn)距離礦山由近及遠(yuǎn),測(cè)量點(diǎn)距離礦山越近,測(cè)量誤差越小,反之就越大,而邊緣點(diǎn)均超過(guò)20km的標(biāo)準(zhǔn),所以誤差較大,且不穩(wěn)定,所以只要礦山工程測(cè)量在20km以內(nèi),就符合測(cè)量要求,具有較高的使用價(jià)值。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著虛擬仿真技術(shù)的發(fā)展,仿真資源的不斷豐富,如何充分利用虛擬仿真技術(shù)成為研究主題。本文通過(guò)設(shè)計(jì)基于虛擬仿真技術(shù)的礦山精度測(cè)量系統(tǒng),設(shè)計(jì)了遙感測(cè)量?jī)x和全站儀等硬件,并對(duì)軟件同時(shí)設(shè)計(jì),以采集數(shù)據(jù)為主,繪制地形圖為輔,為消除測(cè)量誤差作鋪墊,并對(duì)該系統(tǒng)作出精度分析實(shí)驗(yàn),得出本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)在測(cè)量誤差方面符合要求的結(jié)論。為礦山工程精度測(cè)量提供一個(gè)研究方向。

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